汽车动力学-轮胎动力学

转偏率
轮胎模型
纵向力Fx 侧向力Fy 法向力Fz 轮胎六 侧倾力矩M x 分力 滚动阻力矩M y 回正力矩 M z
➢轮胎模型分类
□轮胎纵滑模型，预测车辆在驱动和制动工况时的纵向力。 □轮胎侧偏和侧倾模型，预测侧向力和回正力矩。 □轮胎垂向振动模型，用于高频垂向振动的评价。
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3.3轮胎模型
滚动阻力系数
fR
FR F z ,w
滚动阻力系数
fR
eR rd
■滚动阻力系数随着胎压增加而降低
■滚动阻力系数随着车轮载荷增加而降低 ■滚动阻力系数随着车速增加而增加
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3.4轮胎纵向力学特性
➢轮胎滚动阻力
□滚动阻力系数测量 ■整车道路测试 ■室内台架测试
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3.4轮胎纵向力学特性
2.道路条件产生的附加阻力
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3.5轮胎垂向力学特性
1.轮胎的垂向特性
➢非滚动动刚度 ➢滚动动刚度
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3.5轮胎垂向力学特性
2.轮胎噪声
轮胎噪声产生的机理： (1)空气泵吸效应 (2)胎面单元振动
3.轮胎垂向振动力学模型
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弹簧-阻尼模型
3.5轮胎垂向力学特性
4.轮胎振动对汽车性能的影响
➢对汽车平顺性的影响
3.2轮胎的功能、结构及发展
➢轮胎的结构 □胎体 决定轮胎基本性能 □胎圈 便于胎体装卸 □胎面 保护胎体、内胎
■胎冠
■胎肩 ■胎侧
▲常用的充气轮胎有两种，斜交轮胎和子午线轮胎，主要 是胎体帘线角度的不同，前者为20-40度，后者为85-90度。
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3.2轮胎的功能、结构及发展与比较
斜交轮胎
由于轮胎的振动，对汽 车悬架系统中弹性元件的振动 形成干扰，因而悬架中要产生 振动叠加，这就要求汽车设计 时要将轮胎的参数与悬架参数 结合起来考虑，以便获得良好 的汽车平顺性。
➢对汽车制动性、转向轻便性以及
轮胎的使用寿命的影响。
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弹簧-阻尼模型
3.5轮胎垂向力学特性
4.轮胎振动对汽车性能的影响
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3.3轮胎模型
□“魔术公式”轮胎模型 Pacejka提出，以三角函数组合的形式来拟合轮胎试验 数据，得出一套公式可以同时表达纵向力、侧向力和 回正力矩的轮胎模型。
y D s i n C a r c t a n B x E ( B x a r c t a n B x )
◇拟合精度高，由于非线性计算量大；C值的变化对拟
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3.4轮胎纵向力学特性
1.干、硬的平坦路面上轮胎滚动阻力及其产生机理
➢轮胎滚动阻力
□弹性迟滞阻力 ■产生过程 ■驻波 高速工况；增加能量损失，产生大量热，限制最高 安全行驶速度。
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3.4轮胎纵向力学特性
➢轮胎滚动阻力
□摩擦阻力
□风扇效应阻力 □滚动阻力系数
滚动阻力 F R F R ,弹 性 迟 滞 F R ,摩 擦 F R ,风 扇
汽车系统动力学
主讲：彭琪凯
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第三章 充气轮胎动力学
3.1概述 3.2轮胎的功能、结构与发展 3.3轮胎模型 3.4轮胎纵向力学特性 3.5轮胎垂向力学特性 3.6轮胎侧向力学特性
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3.1概述
1.轮胎运动坐标系
□纵向力 F x □侧向力 F y □法向力 F z □翻转力矩 M x □滚动阻力矩 M y □回正力矩 M z
➢ 在这种状态下,驻波的这部分花纹受到剧烈的摩擦而急剧升温, 不久就引起胎面橡胶从内部胎体剥落的现象.然后爆胎!更惨的是, 从发生驻波现象到爆胎,开车的人不会有任何感觉和预兆~不象漏个 气,方向跑偏什么的,这是高速上独有的致命的现象----驻波现象,
➢引起驻波现象的直接原因就是轮胎变形大,同时高速行驶,轮胎复 原速度赶不上轮胎的转速.所以在跑高速的时候（160公里以上） 要求更高的胎压减少变形,减少变形另外的方法是减少载重,速度越 高,就不能太接近胎壁上标的那个最大荷重了。
4.轮胎振动对汽车性能的影响
➢对汽车燃油经济性的影响
轮胎的振动必然将汽车 行驶中的一部分动能转变成轮 胎的变形，将生成热量并传到 大气中去，使汽车的能量损失， 使燃油经济性变差。
➢对汽车安全性的影响
汽车行驶过程中轮胎发生振 动，将影响轮胎与路面的附着能力， 过大的轮胎振动会导致轮毂轴承的 异常磨损，恶化汽车的技术状况， 影响汽车的行驶安全。
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3.1概述
2.车轮运动参数 □滑动率(s=0~1) ,表示车轮相对
Fz uw
于
旋转轴
rd
纯▲滚滑动转(率或(纯驱滑动动时))状s态 r的d偏u离w 程10度0%。
rd
▲滑移率(制动时)
sb
uwrd100%
uw
车轮运动方向 uw
□轮胎侧偏角 arctan( vw ) 顺时针方向为正 负侧偏角
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3.5轮胎侧向力学特性
3.整车建模中对轮胎模型的考虑
➢在基本的线性操纵动力学模型中，轮胎只需产生与垂向载荷和侧 偏角呈线性关系的侧向力（包括回正力矩）
➢如果车辆模型考虑车辆载荷重新分配，轮胎模型还必须包括侧向 力和轮胎垂直载荷的关系
➢如果建模中考虑车身侧倾角与车轮外倾角的关系，轮胎模型必须 包括车轮外倾对轮胎力的影响 ➢在非线性域分析中，轮胎模型必须能充分考虑大侧偏角情况下的 受力情况，并进行精确计算
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➢路面不平
x
W
不平路面阻力
FR，不平
0
x
➢塑性路面
F R ， 塑 性 F R F R ,塑 性
压实阻力
推土阻力
剪切阻力
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▲塑性路面阻力随胎 压的增加而增大
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3.4轮胎纵向力学特性
2.道路条件产生的附加阻力
➢湿路面
扰流阻力
FR，扰流
(Wt 10
uw)E N
湿路面上的轮胎滚动阻力 F R ， 湿 路F RF R,扰 流
➢如果车辆模型包括纵向自由度，轮胎模型必须包括纵向力。在需 要同时考虑纵向力和侧向力的联合工况下，轮胎模型必须能在两个 方向准确地分配所能获得的轮胎力。
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问题
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什么是轮胎的驻波现象？
➢汽车的重量会使轮胎接触地面的部分稍有变形.车行驶时变形的 部分离开了路面后将恢复原状.如果从轮胎表面一个点来看,轮胎转 一次,这个点就发生一次变形和复原的过程.变形和复原是要时间的, 在高速行驶的时候,其复原速度赶不上轮胎的转速的话,就会在轮胎 接地面后侧引起驻波的异常形变现象,这就是驻波现象
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3.4轮胎纵向力学特性
3. 轮胎侧偏引起的附加阻力
➢侧向载荷的影响
F 'R ， 侧 偏 F Rcos F ysin
F 'R ， 侧 偏 F R F R ( 1 c o s) F ys in
由侧偏角引起的附加 滚动阻力系数
由轮胎侧偏 附加的阻力
fR， 侧 偏FysinFFz,R W (1cos)
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弹簧-阻尼模型
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3.5轮胎侧向力学特性
1.纯转向工
况➢前轮外倾角
➢侧偏角 ➢垂向载荷
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不同垂向载荷作用下的轮胎侧向力与侧偏角关系
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3.5轮胎侧向力学特性
2.联合工况 轮胎的垂向载荷、侧向力与纵向力之间相互影响
摩擦椭圆
车辆转弯加速或转弯制动时，由于受摩擦力的限制，轮胎 不能同时获得最大的侧向力和最大的纵向力。
uw
负的轮胎侧向力产生正的侧偏角
vw
Fy
□轮胎径向变形
无负载轮胎径向半径与负载时半径之差。轮胎印迹
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3.2轮胎的功能、结构及发展
➢轮胎的功能 □支撑整车质量
□与悬架共同作用，衰减 由路面不平引起的振动 与冲击
□传递纵向力，实现驱动和 制动
□传递侧向力，使车辆转向并保证行驶稳定性
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➢几种常用的轮胎模型 □幂指数统一轮胎模型
由郭孔辉院士提出，用于预测轮胎的稳态特性。
▲稳态纯纵滑工况纵向力 ▲稳态纯侧偏工况纵向力
Fx
x x
xFz Fx
Fy
y y
yFz Fy
▲稳态纯侧偏工况回正力矩 Mz FyDx
▲稳态纵滑侧偏联合工况
◇无量纲，表达式统一，可表达各种垂向载荷下的
轮胎特性，参数拟合方便，能拟合原点刚度。
合的误差影响较大；不能很好地拟合极小侧偏情况下 轮胎的侧偏特性。
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3.3轮胎模型
□SWIFT轮胎模型 荷兰Delft工业大学提出，采用刚性圈理论，结合 “魔术公式”综合而成。 □Fiala模型 □Gim模型 □Dugoff模型 □有限元模型 ……
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3.4轮胎纵向力学特性
1.干、硬的平坦路面上轮胎滚动阻力及其产生机理 2.道路条件引起的附加阻力 3.轮胎侧偏引起的附加阻力 4.总的车轮滚动阻力 5.轮胎纵向力与滑动率的关系
小侧偏角时，Fy C ，假定 sin,cos1
fR， 侧 偏C 2/Fz,W
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3.4轮胎纵向轮定位的影响
□车轮前束角
F R ， 前 束 F ysinw fR ,前 束 F z,W
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3.4轮胎纵向力学特性
3. 轮胎侧偏引起的附加阻力
➢车轮定位的影响
□车轮外倾角
由于车轮外倾角的存在，使轮胎在滚动过程中不垂直于地面，胎
面滚动区域将受不断变化的载荷作用，胎壁产生变形，引起滚动
阻力稍有增加。
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3.4轮胎纵向力学特性
4. 总的车轮滚动阻力 总的车轮滚动阻力是各部分阻力之和。车辆在普通干路面 上作直线行驶时，一般可认为车轮阻力就是轮胎滚动阻力。 5. 轮胎纵向力与滑动率的关 系◇纵向力在滑动率15%20%附近时达到最大值。 ◇制动防抱死系统和驱 动力控制系统的理论依 据。
➢对汽车操纵稳定性的影响
轮胎在汽车转弯行驶时 发生振动，会引起车身异常振 动。汽车转向盘发生摆振，驾 驶员无法操纵汽车行驶，导致 汽车的操纵稳定性变差。
➢对汽车行驶速度的影响
由于汽车振动时，汽车 的操纵稳定性变差，驾驶员不 得不使汽车减速以确保汽车安 全行驶。
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弹簧-阻尼模型
3.5轮胎垂向力学特性
子午线轮胎
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3.2轮胎的功能、结构及发展
➢轮胎的发展 轮胎的材料、胎面花纹以及内部结构影响轮胎的物理 特性。 □低滚动阻力 □良好的平顺性 □良好的操稳性 □良好的附着性 □低噪声
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3.3轮胎模型
➢什么是轮胎模型？ 纵向滑动率 s
车辆运动 参数
侧偏角 径向变形 车轮外倾角 车轮转速
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3.5轮胎垂向力学特性
1.轮胎的垂向特性 2.轮胎噪声 3.轮胎垂向振动力学模型 4.轮胎振动对汽车性能的影响
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3.5轮胎垂向力学特性
1.轮胎的垂向特性 通常以轮胎所受的载荷和变形曲线来表示轮胎的刚度特性。
➢静刚度 静载荷与垂向变形的关系。
曲线斜率即为静刚度，可认为轮胎的静刚度不随载荷的变 化而变化。